عناصر الزمرة الرابعة (IVA):
تشمل الزمرة الرابعة عناصر: الكاربون (C)، السليكون (Si)، الجرمانيوم (Ge)، القصدير (Sn)، الرصاص (Pb).
تقع في يمين الجدول الدوري ضمن بلوك P. الغلاف الخارجي لعناصر هذه الزمرة يحتوي على أربعة إلكترونات.
(6C, 14Si, 32Ge, 50Sn, 82Pb)
الصفات العامة لعناصر الزمرة الرابعة (IVA):
- تتصف هذه الزمرة بأنها أكثر الزمر اختلافاً وتعدداً في صفات عناصرها، حيث تظهر انتقالاً واضحاً من الصفات اللافلزية إلى الصفات الفلزية، فكلما انتقلنا من الأعلى إلى الأسفل تزداد الصفات الفلزية:
- الكاربون (لافلز)
- السليكون والجرمانيوم (أشباه فلزات)
- القصدير والرصاص (فلزات)
- تقل درجة الانصهار والغليان كلما اتجهنا للأسفل.
- تمتلك في غلافها الخارجي على أربعة إلكترونات، ولصعوبة فقدانها أو اكتسابها لأربعة إلكترونات، تميل للمساهمة لتكوين أواصر تساهمية وحالة تأكسدها الشائعة (+4).
- السليكون والكاربون يكونان أواصر تساهمية، بينما الجرمانيوم والقصدير والرصاص تكون أواصر تساهمية وأيونية أيضاً (Ge⁺², Sn⁺², Pb⁺²).
- جميع هذه العناصر ذات فعالية ضعيفة، فهي تتفاعل مع اللافلزات مثل الأكسجين ولكنها تحتاج إلى حرارة لإتمام التفاعل.
السليكون (Si)
الرمز الكيميائي: Si
العدد الذري: 14
عدد الكتلة: 28
يحتوي غلافه الخارجي على أربعة إلكترونات، ومن الصعب عليه فقدها أو اكتسابها، لذا يشارك بها مكوناً أواصر تساهمية ويكون تكافؤه رباعياً.
وجوده:
يعتبر السليكون العنصر الأكثر انتشاراً في قشرة الأرض بعد الأكسجين، حيث يشكل أكثر من ربع القشرة الأرضية (حوالي 28%). غالباً ما يكون متحداً مع الأكسجين في التربة بشكل ترسبات طينية أو رملية. لا يوجد حراً في الطبيعة ولكنه يوجد في الصخور على هيئة ثاني أكسيد السليكون (SiO₂) (السليكا)، ويدخل في تركيب الكوارتز والرمل. كما يوجد على شكل سليكات.
له صورتان:
- السليكون المتبلور: مسحوق لونه بني غامق، قليل الفعالية.
- السليكون غير المتبلور: مسحوق لونه رصاصي غامق، أكثر فعالية.
تحضير السليكون:
أ) مختبرياً:
- غير المتبلور: يحضر بتسخين عنصر البوتاسيوم في جو من رباعي فلوريد السليكون (SiF₄).
SiF₄ + 4K → Si + 4KF - المتبلور: يحضر بإذابة السليكون في منصهر الألمنيوم ثم تبريد المحلول حيث تنفصل بلورات السليكون عن المحلول.
ب) صناعياً:
يمر تحضيره بثلاث مراحل:
- المرحلة الأولى (إنتاج السليكون الصناعي): يحضر من تسخين السليكا (SiO₂) بدرجات حرارة عالية باستخدام الكاربون أو المغنيسيوم كعامل مختزل. ينتج سليكون غير نقي (90-95%) يسمى السليكون الصناعي.
SiO₂ + 2C → Si + 2CO
استعمالات السليكون الصناعي: يستعمل في صناعة البرونز والحديد، وخاصة الحديد المطاوع، وفي تحضير السليكونات. - المرحلة الثانية (تنقية السليكون الصناعي): يحول السليكون إلى رباعي كلوريد السليكون (SiCl₄) ثم يختزل مرة ثانية بأحد العوامل المختزلة مثل المغنيسيوم. يمكن إزالة MgCl₂ الناتج بالغسل بالماء الحار.
Si + 2Cl₂ → SiCl₄
SiCl₄ + 2Mg → Si + 2MgCl₂ - المرحلة الثالثة (السليكون عالي النقاوة - طريقة منطقة التكرير): يعمل السليكون على شكل قالب أسطواني ثم يسخن من إحدى نهايتيه بواسطة مصدر حراري حلقي متحرك. تتكون طبقة خفيفة من منصهر السليكون، وعند سحب المصدر الحراري للخلف تتحرك الشوائب مع المنصهر إلى النهاية الأخرى للقالب، ثم تقطع هذه النهاية ويتخلص منها، بينما تكون النهاية الباقية نقية جداً.
س: ما هو السليكون عالي النقاوة؟ وكيف يحضر؟ وما هي استعمالاته؟
ج: هو السليكون الخالي من الشوائب والذي تم تحضيره صناعياً بطريقة منطقة التكرير. يستخدم في صناعة أشباه الموصلات أو الرقائق الدقيقة أو الخلايا الشمسية.
خواص السليكون:
الفيزيائية:
- شبه فلز.
- صلب جداً.
- له درجة انصهار عالية (1410°C).
- له بريق معدني.
- شبه موصل للتيار الكهربائي.
علل: استخدام عنصر السليكون في صناعة الأجهزة والدوائر الكهربائية والحاسبات الإلكترونية والخلايا الشمسية.
ج: لأن السليكون شبه موصل للتيار الكهربائي.
الكيميائية:
- يكون السليكون خاملاً تجاه الحوامض ولكنه يذوب في المحاليل المائية للقواعد.
Si + 2NaOH + H₂O → Na₂SiO₃ + 2H₂↑(سليكات الصوديوم) - يكون فعالاً تجاه الكلور.
Si + 2Cl₂ → SiCl₄(رباعي كلوريد السليكون) - لا يتأثر السليكون بالهواء عند درجات الحرارة الاعتيادية ولكنه يتفاعل عند درجة 950°C.
- السليكون ومركباته الطبيعية (السليكا والسليكات) غير سامة.
استعمالات السليكون:
- الصناعة الإلكترونية: صناعة الدوائر المتكاملة والخلايا الشمسية والترانزستورات.
- صناعة السبائك: التي تستخدم في صناعات مختلفة (مثل البرونز والحديد).
- صناعة الزجاج والسمنت والسيراميك.
- صناعة المواد السليكونية العضوية: ومنها الزيوت والراتنجات البلاستيكية (السليكونات).
مركبات السليكون:
أ- مركبات السليكون مع الهيدروجين (هيدريدات السليكون):
هي مركبات تتكون من السليكون والهيدروجين، منها السيلان (SiH₄). يحضر من تفاعل سليسيد المغنيسيوم (Mg₂Si) مع الحوامض المعدنية مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl).
Mg₂Si + 4HCl → SiH₄↑ + 2MgCl₂
الهيدريدات مركبات فعالة جداً تشتعل تلقائياً في الهواء مكونة ثاني أكسيد السليكون والماء.
SiH₄ + 2O₂ → SiO₂ + 2H₂O
ب- مركبات السليكون مع الأكسجين:
- ثاني أكسيد السليكون (SiO₂) (السليكا): توجد في الطبيعة على شكل:
- سليكا نقية: مثل حجر الصوان والكوارتز (مواد شديدة الصلادة تستعمل في قطع الزجاج وتخديش الحديد الصلب).
- سليكا غير نقية: مثل الرمل والطين (تحتوي شوائب تكسبها ألواناً مختلفة).
خواص السليكا:علل: تستعمل السليكا في قطع الزجاج وتخديش الحديد الصلب؟
ج: وذلك لأنها مواد شديدة الصلادة.
- غير فعالة، لا تتفاعل عند تعرضها للكلور أو البروم أو الهيدروجين ومعظم الحوامض.
- تتفاعل مع حامض الهيدروفلوريك (HF) والقواعد (مثل NaOH).
SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O(سداسي فلورو سليكات الهيدروجين)
SiO₂ + 2NaOH → Na₂SiO₃ + H₂O(سليكات الصوديوم - ماء الزجاج) - لها القابلية على التفاعل مع الأكاسيد أو الكاربونات الفلزية بالتسخين الشديد، حيث تتكون السليكات.
- إضافة الحوامض إلى محاليل سليكات الفلزات القلوية يعطي السليكا المائية، التي يمكن تجفيفها إلى مسحوق غير بلوري يسمى جل السليكا.
جل السليكا: هو مسحوق غير بلوري يتكون من تجفيف السليكا المائية، يستعمل كعامل مجفف وذلك لمساحته السطحية الكبيرة وقابليته العالية لامتصاص الماء.
علل: يستعمل جل السليكا كعامل مجفف؟
ج: وذلك لمساحته السطحية الكبيرة وقابليته العالية لامتصاص الماء.
- السليكات: هي مركبات ناتجة من تفاعل SiO₂ مع أكاسيد أو كاربونات الفلزات بالتسخين الشديد. تنتشر بصورة واسعة في الطبيعة وتكون مع الأكسجين (74%) من القشرة الأرضية.
CaO + SiO₂ → CaSiO₃(سليكات الكالسيوم)
Na₂CO₃ + SiO₂ → Na₂SiO₃ + CO₂↑(سليكات الصوديوم)- سليكات الصوديوم (Na₂SiO₃): أكثر أنواع السليكات انتشاراً، ومحلولها المائي المركز يدعى ماء الزجاج.
س: ما المقصود بماء الزجاج وما أهم استعمالاته؟
ج: ماء الزجاج هو محلول مائي مركز لسليكات الصوديوم (Na₂SiO₃). يستعمل في:
- حماية الأقمشة والورق من الحرائق.
- كمادة لاصقة رخيصة الثمن.
- في البناء لتقوية السمنت (بخلطه مع السمنت).
ج- كاربيد السليكون (SiC):
يرتبط فيه الكاربون مع السليكون بأواصر تساهمية على شكل بنية شبكية ثلاثية الأبعاد تشبه بنية الماس، مما يجعله صلداً للغاية. يستخدم كمادة جالية (في ورق الجام وحجر الكوسرة). يحضر من تفاعل السليكون أو أكسيده مع الكاربون في فرن القوس الكهربائي بدرجة حرارية عالية.
Si + C → SiC
SiO₂ + 3C → SiC + 2CO
د- السليكونات:
هي مركبات عضوية للسليكون غير سامة ومستقرة على مدى واسع من درجات الحرارة. أهمها:
- زيوت السليكون: تضفي على السطوح طبيعة مانعة للالتصاق أو مضادة للرطوبة (مثل سطوح الأنسجة والبنايات).
- مطاط السليكون: أكثر استقراراً حرارياً من المطاط الهيدروكربوني. يستعمل في صناعة القوالب وفي الحمامات والمطابخ كمواد إحكام.
- الراتنجات السليكونية: تستخدم كمواد عازلة كهربائياً وفي جعل مواد البناء مضادة للماء.
شاهد فيديو الشرح للأستاذة زينب عبد الكاظم من قناة الباحث العلمي
الجزء الأول
الجزء الثاني
شكرا لكم لاتنسونا الدعاء